Молекулярні комп'ютери: характеристики, історія створення

Якщо комп'ютерні технології продовжать розвиватися з тією ж швидкістю, з якою вони роблять це в наші дні, буквально через десять років можна очікувати, що комп'ютери стануть у 1000 разів більш потужними. Жорсткі диски зможуть в 10000 разів зберігати більше інформації. Цілком ймовірно, що цей прорив не буде пов'язаний з кремнієвими мікросхемами, які вже досягають межі своїх можливостей.

Уроки від природи

У спробі побудувати комп'ютери з деталізацією на молекулярному рівні вчені копіюють природу. Молекулярні збірки є основним компонентом для створення нанокомп'ютерів (биокомпьютеров, молекулярних комп'ютерів). В даний час в комп'ютерних технологіях домінує «спадний підхід», який передбачає видалення зайвого матеріалу з великих об'єктів. Так, наприклад, при створенні кремнієвих мікросхем використовується літографія. Але ця методика не дозволяє зменшити електронні компоненти до розмірів атома.


Тому, щоб отримати більш швидкі і потужні комп'ютери завтрашнього дня, вчені звернулися до «висхідного підходу». Він ґрунтується на зборку молекулярних структур. Ця ідея була взята з природи, яка використовує різні будівельні блоки при створенні молекул нуклеїнових кислот. Процес протікання самостійної збірки молекул буде обумовлений наступними умовами: термодинамічні фактори (сила взаємодії молекул); кінетичні фактори (швидкість збірки); сили, що утримують всю структуру разом.

Історія створення комп'ютерів на основі молекулярної

Ще в 1974 році студент Марк Ратнер та його науковий керівник Ариех Авирам повідомляли про можливості мініатюризації електронних компонентів до розмірів молекули. Авирам запропонував революційну ідею щодо заміни кремнієвих транзисторів і діодів окремими органічними молекулами.


При цьому була теоретично описано вихідна точка для такої наукової революції «молекулярний випрямляч». Виходячи з назви, цей пристрій призначений для перетворення змінного струму в постійний. Однак ідея Ратнера і Авирама спочатку не знайшла належної підтримки і канула в небуття. Тільки через кілька років, на початку 80-х років невелика група вчених зайнялася їх працями і почала втілювати їх у життя. В цей час і зародилася молекулярна електроніка.

Етапи розвитку молекулярної електроніки

За час свого існування найбільш суттєві прориви в області молекулярних комп'ютерів характеризуються трьома періодами: 1974 рік (зародження), 80-е роки минулого століття (відновлення досліджень), початок 2000-х років 21 століття (ряд проривів і винаходів). У 2015 році бурхливе зростання в цій галузі дещо сповільнилося, що поки не дозволяє говорити про те, що в найближчому майбутньому кремнієві компоненти будуть витіснені молекулярними. Так яких характеристик молекулярних комп'ютерів дозволять досягти нові технології? Відповідь на це питання лежить на поверхні. В першу чергу це істотне зменшення розмірів, підвищену швидкодію і розширення пам'яті.

Суть революції Авирама і Ратнера

Молекулу передбачається розглядати як напівпровідниковий діод. Одна частина її виступає в якості донора електронів і є аналогом n-області діода. Друга частина виступає в якості одержувача електронів і відповідає p-області діода. При додатку напруги до країв молекули електрони почнуть переміщатися з одного її кінця до іншого. Додаток напруги з протилежним знаком буде перешкоджати переміщенню електронів.
На доказ своєї концепції американські вчені запропонували модель молекулярного випрямляча. Він являє собою окрему молекулу, в одному кінці якої протікає змінний струм, а в іншому – постійний. Незважаючи на те, що дану пропозицію було опубліковано в журналі Time, наукове співтовариство в той час виявила до нього мало інтересу. І тільки в кінці 70-х років минулого століття інтерес до цієї теми проявив хімік науково-дослідної лабораторії ВМС США Форест Картер.

Будівництво комп'ютерів із застосуванням молекулярних технологій

Основою практично будь-якого електронного пристрою в наші дні є такий компонент, як транзистор. Комп'ютерні технології найближчих років будуть спрямовані на зменшення розмірів цього компонента. На малюнку показано застосування кластера молекул для створення квантованого і керованого потоку зарядів при кімнатній температурі. Транзистор має три ділянки – базу, колектор і емітер. Коли струм протікає між колектором і емітером, транзистор відкритий. Напруга, прикладена до бази, при цьому перевищує деяке граничне значення. Коли до неї додається напруга менше порогового значення, транзистор закривається.
При створенні молекулярних пристроїв планується використовувати ті ж принципи. Пристрої, побудовані на молекулах, як і кремнієві транзистори, будуть мати перемикальні функції.

Логічний вентиль від IBM

Молекулярний логічний вентиль складається з двох молекул нафталоцианина, які скануються кінчиком низькотемпературного скануючого тунельного мікроскопа. При проходженні імпульсу напруги з одного кінця молекули до іншої два атома водню в суміжних молекулах (показано білим кольором у центрі молекули) змінять своє становище. При цьому вся молекула переходить зі стану «включено» в «вимкнено». Даний пристрій буде являти собою логічний вентиль – один з основних компонентів комп'ютерних чіпів і будівельний блок для молекулярних комп'ютерів.

Область застосування молекулярних компонентів

Блокові ансамблі знайшли своє застосування при створенні дисплеїв. До останніх досягнень в галузі молекулярної електроніки відносяться світловипромінюючі діоди, що складаються з однієї молекули, і транзистори на вуглецевих нанотрубках, пов'язані з кремнієм в монолітній інтегральній мікросхемі. Вчені з Єврейського університету Єрусалиму запропонували створювати молекулярні нанодроти на основі ДНК. Вони будуть альтернативою мідних проводів. В Колумбійському університеті Нью-Йорка порахували коефіцієнт випрямлення діода на окремій молекулі – він склав більше 200 разів.

Дослідники Університету Йювяскюля (Фінляндія) розробили молекулярну пам'ять комп'ютера. Цей вид пам'яті може запам'ятовувати напрям магнітного поля протягом тривалого періоду часу, після того як буде вимкнений при екстремально низьких температурах. В майбутньому це відкриття дозволить збільшити ємність жорстких дисків, не збільшуючи при цьому їх розміри.

Комп'ютери майбутнього

Незважаючи на те, що в області молекулярної електроніки здійснено ряд проривів, фото молекулярного комп'ютера в мережі Інтернет знайти не вдасться. Це тому, що поки ще не існує самого комп'ютера на такій технології. Але вже в найближчому майбутньому можна очікувати винаходу молекулярних комп'ютерів. Вони належать архітектури фон Неймана, в цьому вже можна бути впевненими зараз. Це пояснюється тим, що молекули повинні замінити електронні компоненти, а структура комп'ютера поки залишиться незмінною.

Матеріали для молекулярної електроніки

1. Поліацетилен. 2. Полифенилен-винилен. 3. Поліпіррол (X=NH) або политиофен (X=S). 4. Поліанілін (X = NH/N) або полифенилен-сульфід (X=S).